具有未知干扰的无人机鲁棒滑模飞行控制

研究无人机飞行稳定性控制问题,由于无人机飞行控制系统存在时变外部干扰,飞行过程中升阴比变化激烈,控制稳定性难度较大。利用滑模控制良好的鲁棒能力提出一种神经网络的鲁棒飞行控制方法。因神经网络有良好非线性逼近能力,可对无人机飞行系统中的不确定进行在线逼近,并将神经网络权值误差引入到权值的自适应律中用以改善系统的动态性能。利用神经网络的组合,设计无人机鲁棒滑模飞行控制器。控制器分为两部分,一部分是等效控制器,另一部分是滑模控制器,能有效减小系统的跟踪误差。最后将所设计的鲁棒滑模控制对无人机飞行姿态控制进行仿真。仿真结果表明,新方法能提高无人机的鲁棒飞行控制能力且能实现无人机姿态的精确跟踪和稳定性控制。     

基于Sigmoid函数的机器人鲁棒滑模跟踪控制系统设计

为了保证机器人能够在保持稳定的情况下,按照规划轨迹执行工作任务,从硬件和软件两个方面,设计了基于Sigmoid函数的机器人鲁棒滑模跟踪控制系统。装设机器人传感器与状态观测器,改装机器人鲁棒滑模跟踪控制器,完成系统硬件设计;综合机器人结构、运动机理和动力机制3个方面,构建机器人数学模型;根据状态数据采集结果与规划轨迹之间的偏差,计算机器人跟踪控制量;依据滑模运动与切换方程,利用Sigmoid函数生成机器人鲁棒滑模控制律,将生成控制指令作用在机器人执行元件上,实现系统的鲁棒滑模跟踪控制功能;在系统测试与分析中,所设计控制系统的平均位置跟踪控制误差为0.93 mm,与设定轨迹目标基本重合,机器人姿态角跟踪控制误差为0.06 mm,具有较好的鲁棒滑模跟踪控制效果,能够有效提高机器人鲁棒滑模跟踪控制精度。     

考虑执行器动态和输入受限的近空间飞行器鲁棒可重构跟踪控制

针对多变量、不稳定的近空间飞行器姿态系统,在系统存在参数不确定和外部干扰的情况下,并考虑执行器动态和输入受限,提出一种鲁棒可重构跟踪控制策略.首先,利用二阶滑模干扰观测器分别重构姿态、角速率回路的复合干扰;其次,采用鲁棒二阶滑模积分滤波器的反推(backstepping)方法避免了控制器设计中微分项膨胀问题,利用鲁棒项抵消重构误差对系统的影响,以实现姿态控制器设计.然后,在考虑执行器动态、输入受限及舵面卡死故障下,给出一种线性矩阵不等式的在线优化舵面分配算法,以实现飞行器的姿态角渐近跟踪期望的制导指令.最后,仿真结果表明所提出的方法具有良好的跟踪控制性能.     

基于自组织小波小脑模型关节控制器的不确定非线性系统鲁棒自适应终端滑模控制

针对一类不确定非线性系统的跟踪控制问题,在考虑建模误差、参数不确定和外部干扰情况下,以良好的跟踪性能及强鲁棒性为目标,提出基于自组织小脑模型(self-organizing wavelet cerebellar model articulation controller,SOWCMAC)的鲁棒自适应积分末端(terminal)滑模控制策略.首先,将小脑模型、自组织神经网络和小波函数各自优势相结合,给出一种SOWCMAC,以保证干扰估计方法具有快速学习能力和更好的泛化能力.其次,设计两种改进的terminal滑模面构造方法,并分别给出各自的收敛时间.然后,基于SOWCMAC和改进的积分terminal滑模面,给出不确定非线性系统鲁棒自适应非奇异terminal控制器的设计过程,其中通过构造自适应鲁棒项抑制干扰估计误差对系统跟踪性能的影响,并利用Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性.最后,将该方法应用于近空间飞行器姿态的控制仿真实验,结果表明所提出方法有效性.     

饱和输入下四旋翼无人机滑模轨迹跟踪控制

为解决四旋翼无人机在饱和输入下的轨迹跟踪控制问题,同时兼顾系统存在的参数不确定性和外部风力扰动影响,设计了一种改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制方法;基于六自由度架构,设计四旋翼无人机简化的系统模型,进而降低控制器设计的复杂程度;引入带有误差信号的滑模函数,设计带有误差信号的饱和补偿自适应控制律,同时增加鲁棒控制项,降低由于饱和输入问题带来的抖振影响,并减小参数不确定和外部风力扰动对系统稳定性的影响;系统模型与抗干扰自适应控制律相结合,形成了改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制策略,实现四旋翼无人机的位置轨迹和姿态轨迹的稳定跟踪;最后通过数值仿真与传统PD控制算法进行仿真比较,验证控制方法的有效性和优越性。     

电液伺服系统的多滑模鲁棒自适应控制

针对一类参数与外负载非匹配不确定的非线性高阶系统,提出了一种基于逐步递推方法的多滑模鲁棒自适应控制策略.应用逐步递推的多滑模控制方法简化了高阶系统的控制问题,同时在自适应控制中加入鲁棒控制的方法,以消除不确定性对控制性能的影响.首先利用逐步递推方法与状态反馈精确线性化理论,得出确定系统的多滑模控制器设计方法;然后基于Lyapunov稳定性分析方法,给出不确定系统的参数自适应律,及鲁棒自适应控制器的设计方法.本文把该控制策略应用到电液伺服系统的位置跟踪控制中,仿真结果显示,该控制方法具有较强的鲁棒性及良好的跟踪效果.     

运输机地面转弯轨迹跟踪滑模控制器设计及仿真

大型运输机飞行控制包括较宽范围的姿态机动、轨迹跟踪。通道间高度耦合、外界条件干扰等条件使得轨迹跟踪控制设计变得较为复杂。为此,提出了一种鲁棒解耦的多变量跟踪控制方法——滑模控制方法,对运输机地面转弯轨迹进行了精确跟踪。运输机地面转弯轨迹运动学模型是一个多输入非线性系统,所以滑模控制中切换函数设计是很重要的。给出了Backstepping方法设计切换函数,通过对实例的计算仿真,滑膜控制对运输机轨迹跟踪具有较高的准确度。     

考虑输入饱和的近空间飞行器姿态容错控制

针对近空间飞行器姿态控制中出现的执行器故障,输入饱和与外部干扰等问题,设计了一种基于二阶滑模干扰观测器和辅助系统的鲁棒容错跟踪控制方法.首先,将系统不确定,外部扰动和执行器故障作为复合干扰,设计super-twisting二阶滑模干扰观测器对其进行估计.然后为解决输入饱和问题构造了辅助分析系统,并借助backstepping方法,设计姿态容错跟踪控制器.利用Lyapunov方法,严格证明了所有闭环系统信号的收敛性.最后将所设计的控制方法应用于近空间飞行器姿态控制中,仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

一类非匹配不确定非线性系统的鲁棒跟踪控制制

针对一类半严格反馈型不确定非线性系统,提出一种鲁棒反演滑模变结构控制方法.采用反演控制方法设计了使前n-1阶子系统稳定的虚拟控制律,抑制非匹配不确定性的影响;在第n步设计了一种连续可导的滑模变结构控制律,消除控制抖振,实现了对存在未知不确定性及扰动系统的鲁棒输出跟踪.通过Lyapunov定理证明了闭环系统所有信号最终有界.仿真结果验证了该方法的有效性.     

基于线性化的液压马达伺服系统滑模控制

针对液压马达伺服控制系统由于系统强非线性引起的精确控制困难的问题,提出了基于线性化和滑模控制算法的自适应鲁棒积分滑模控制器.在不改变系统模型的前提下,应用线性化将系统模型中的部分非线性项进行线性化处理,降低了系统的强非线性,并结合自适应算法进行线性化误差补偿.同时,针对跟踪精度不足等问题,引入积分滑模控制算法进行鲁棒控...     

Nonsingular terminal sliding mode based finite-time control for spacecraft attitude tracking

This paper studies finite-time attitude tracking control problem of a rigid spacecraft system with external disturbances and inertia uncertainties. Firstly, a new finite-time attitude tracking control law is designed using nonsingular terminal sliding mode concepts. In the absence and presence of external disturbances and inertia uncertainties, this controller can drive the attitude and angular velocity tracking errors to reach zero in finite time. Secondly, a finite-time disturbance observer is introduced to estimate the disturbance, and a composite controller is developed which consists of a feedback control based on nonsingular terminal sliding mode method and compensation term based on finite-time disturbance observer. Finite-time convergence of attitude tracking errors and the stability of the closed-loop system is ensured by the Lyapunov approach. Numerical simulations on attitude control of spacecraft are also given to demonstrate the performance of the proposed controllers.     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

Neural network based adaptive fuzzy PID-type sliding mode attitude control for a reentry vehicle

This work investigates the attitude control of reentry vehicle under modeling inaccuracies and external disturbances. A robust adaptive fuzzy PID-type sliding mode control (AFPID-SMC) is designed with the utilization of radial basis function (RBF) neural network. In order to improve the transient performance and ensure small steady state tracking error, the gain parameters of PID-type sliding mode manifold are adjusted online by using adaptive fuzzy logic system (FLS). Additionally, the designed new adaptive law can ensure that the closed-loop system is asymptotically stable. Meanwhile, the problem of the actuator saturation, caused by integral term of sliding mode manifold, is avoided even under large initial tracking error. Furthermore, to eliminate the need of a priori knowledge of the disturbance upper bound, RBF neural network observer is used to estimate the disturbance information. The stability of the closed-loop system is proved via Lyapunov direct approach. Finally, the numerical simulations verify that the proposed controller is better than conventional PID-type SMC in terms of improving the transient performance and robustness.

     

四旋翼无人机抗干扰轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪过程中存在的参数不确定与外界干扰问题,设计一种双闭环自适应控制策略.为了降低控制器设计复杂度,根据四旋翼无人机系统的欠驱动特性将系统分成姿态内环和位置外环.在扰动观测器的基础上,利用积分型反步控制算法完成无人机位置信息在外界干扰下的稳定跟踪控制.在扰动观测器的基础上,利用自适应滑模控制算法完成无人机姿态信息在参数不确定和外界干扰作用下的稳定跟踪控制.与传统PID控制和滑模控制进行仿真对比,验证所提出控制策略的优越性.     

Inverse optimal sliding mode control of spacecraft with coupled translation and attitude dynamics

This paper proposes two robust inverse optimal control schemes for spacecraft with coupled translation and attitude dynamics in the presence of external disturbances. For the first controller, an inverse optimal control law is designed based on Sontag-type formula and the control Lyapunov function. Then a robust inverse optimal position and attitude controller is designed by using a new second-order integral sliding mode control method to combine a sliding mode control with the derived inverse optimal control. The global asymptotic stability of the proposed control law is proved by using the second method of Lyapunov. For the other control law, a nonlinear H_∞ inverse optimal controller for spacecraft position and attitude tracking motion is developed to achieve the design conditions of controller gains that the control law becomes suboptimal H_∞ state feedback control. The ultimate boundedness of system state is proved by using the Lyapunov stability theory. Both developed robust inverse optimal controllers can minimise a performance index and ensure the stability of the closed-loop system and external disturbance attenuation. An example of position and attitude tracking manoeuvres is presented and simulation results are included to show the performance of the proposed controllers.     

一种基于时变干扰观测器的高超声速飞行器容错控制策略设计

为了提高高超声速再入飞行器(HRV)在执行机构故障情况下的姿态控制效果,提出一种基于时变干扰观测器和参考轨迹重构器(RVG)的滑模容错控制策略.首先,设计一种新型自适应干扰观测器(ADO)来估计系统扰动,在保证估计精度的同时,能够有效削弱传统干扰观测器的初始超调现象;然后,基于反步法设计HRV的滑模控制器,在设计中引入参考轨迹重构器以避免故障突变引起的初始尖峰,并且在滑模面的设计中利用ADO所估计的系统扰动实现干扰的在线补偿.仿真结果表明,所设计的控制策略可以有效解决传统的基于高增益干扰观测器的滑模控制律受故障引起的突变和初始估计误差造成控制系统动态性能恶化的问题.     

永磁同步直线电机的分数阶超螺旋滑模控制

为了提高永磁同步直线电机的跟踪性能,增强系统的鲁棒性,本文提出了分数阶超螺旋滑模控制策略.首先,针对外部扰动以及系统的未知状态设计广义超螺旋观测器,其能够精确估计永磁同步直线电机的速度和外部扰动.其次,将分数阶理论和终端滑模控制理论相结合,提出有限时间收敛的分数阶超螺旋滑模控制器,以实现永磁同步直线电机的跟踪控制.最后,通过仿真对比验证所提方案的有效性.